Evolutionary forces shaping genomes : from whales to viruses

Abstract

In this thesis, we integrate investigations into the evolutionary adaptations of aquatic mammals to hypoxia and the evolutionary dynamics of SARS-CoV-2, emphasizing the dynamic nature of scientific exploration amidst urgent global challenges. Despite the established importance of HIF1α and associated genes in the molecular mechanism of hypoxia response, their role in the evolutionary adaptation of aquatic mammals remains incompletely understood. Our candidate gene approach analyzed 11 critical genes in the HIF1α signaling pathway in aquatic mammals, revealing evidence of negative selection and relaxed selective regimes in cetaceans, along with the identification of a unique glutamine 68 variant in the HIF3α protein exclusive to cetaceans. Concurrently, we investigated the evolutionary history of the Gamma strain and its derived lineages (P.1.1 and P.1.2) of SARS-CoV-2, detecting 194 sites under positive selection across 12 genes/ORFs. Notably, some diagnostic sites for Gamma lacked a signature of positive selection, suggesting evasion of purifying selection, while network analyses unveiled expanding haplotypes unique to P.1.1 and P.1.2, including the emergence of adaptive novelties such as the 3509Y allele in ORF1a. We discuss how phenomena like epistasis and antagonistic pleiotropy may limit the emergence of new alleles in SARS-CoV-2 lineages, maintaining infectivity in humans while providing rapid response capabilities against host immune responses. This interdisciplinary approach underscores the interconnectedness of evolutionary studies in diverse biological contexts and highlights the importance of dynamic scientific inquiry in addressing contemporary global challenges.

Neste trabalho de tese, integramos investigações sobre as adaptações evolutivas de mamíferos aquáticos à hipóxia e a dinâmica evolutiva do SARS-CoV-2, enfatizando a natureza dinâmica da exploração científica em meio a desafios globais urgentes. Apesar da importância estabelecida de HIF1α e genes associados no mecanismo molecular de resposta à hipóxia, seu papel na adaptação evolutiva de mamíferos aquáticos permanece incompletamente compreendido. Nossa abordagem de genes candidatos analisou 11 genes críticos na via de sinalização de HIF1α em mamíferos aquáticos, revelando evidências de seleção negativa e regimes seletivos relaxados em cetáceos, juntamente com a identificação de uma variante única de glutamina 68 na proteína HIF3α exclusiva de cetáceos. Concomitantemente, investigamos a história evolutiva da cepa Gamma e suas linhagens derivadas (P.1.1 e P.1.2) de SARS-CoV-2, detectando 194 locais sob seleção positiva em 12 genes/ORFs. Notavelmente, alguns locais diagnósticos para Gamma careciam de uma assinatura de seleção positiva, sugerindo evasão da seleção purificadora, enquanto análises de redes revelaram haplótipos em expansão únicos para P.1.1 e P.1.2, incluindo o surgimento de novidades adaptativas como o alelo 3509Y em ORF1a. Discutimos como fenômenos como epistasia e pleiotropia antagônica podem limitar o surgimento de novos alelos em linhagens de SARS-CoV-2, mantendo a infectividade em humanos e fornecendo capacidades de resposta rápida contra as respostas imunes do hospedeiro. Esta abordagem interdisciplinar destaca a interconexão de estudos evolutivos em diversos contextos biológicos e destaca a importância da investigação científica dinâmica no enfrentamento dos desafios globais contemporâneos.